Page 111 - 《应用声学》2022年第3期

第 41 卷 第 3 期 吴迪等： 跑道线圈换能器在铁路重载货车探伤中的应用 433

带台阶面的半圆形钢块，试块截面和换能器所在位 将图 9 中实验得到的指向性曲线与图 5 计算得
置如图7(b)所示。将跑道形电磁超声换能器线圈中 到的理论指向性曲线比较，基本吻合。在 0 台阶面
◦
心对准试块上表面中心处，偏振方向保持与试块截 中心处旋转接收换能器，使其偏振方向和跑道线圈
面水平方向一致，接收换能器为压电横波直探头，置 电磁超声换能器的偏振方向成不同角度，此时横波
于各个台阶面中心处，通过蜂蜜做耦合剂，接收上表 幅度也会随之改变，表明跑道线圈和外磁场的配置
面跑道形电磁线圈超声换能器辐射的声波信号，然 在钢试块中产生的横波声场形成明显的偏振方向，
后用示波器采集接收换能器输出的电信号，将其传 说明文中的模型在一定程度上可以描述文中跑道
入计算机存储并做进一步后处理。接收换能器和试 形电磁线圈换能器的表面力源及声场。
块间采用蜂蜜做耦合剂并紧密压合，用以保证换能
1.0
器接收到台阶面上的切向振动。
测试用的电磁超声设备，激发换能器的频率可 0.8
在500 kHz ∼ 2 MHz 范围内调节，脉冲方波个数可 0.6
调范围从 1 ∼ 8 个。调节 EMAT 参数，激励频率为 ᖂаॆս〫٬ P(φ)
950 kHz，激励脉冲串长度为 3 个周期方波，激励电 0.4
流为2 A。改变接收用横波换能器的偏振方向，使之
0.2
和发射电磁超声换能器偏振方向一致且处在同一
平面内，此时接收到的横波分量为横波位移 u tx 和 0
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
u tz 合成的切向分量 u t 。改变接收换能器所在的台 φ/(O)
阶面，采集得到各处时域信号，在 0 接收到的波形 图 9 接收换能器得到的切向分量横波位移随角度
◦
如图8 所示，其余各个角度处波形与此类似，图中从 变化图
左至右，初始包络信号为始脉冲，其后为一次直达横 Fig. 9 Shear wave displacement of the tangential
component obtained by the receiving transducer
波波形。改变压电横波直探头所在的台阶面，在半
with different angles
圆钢试块不同角度上接收到跑道线圈电磁超声换
能器辐射声波的时域波形，取各处波形中直达横波 上述理论是针对表面力源为洛仑兹力的情况，
信号幅度的极大值，拟合出一条横波指向性曲线，多 考虑钢表面还有磁致伸缩力源的贡献，实验指向性
次重复实验得到的指向性曲线如图 9 中实线所示， 图 9 和理论模拟指向性结果图 5 还有一些区别，而
图中横坐标表示不同台阶面的角度，纵坐标表示归 目前对于磁致伸缩力源的分析还存有一些困难，主
一后的位移幅值。 要在于较难准确得到某些重要参数，比如铁磁材料

0.10 的动态磁致伸缩系数，进一步关于磁致伸缩力源的
0.08 电磁声理论和实验还在研究中。从目前的理论和实
0.06
验的结果可知，双磁体跑道形电磁线圈超声换能器
0.04
0.02 由洛仑兹力产生的水平偏振横波声场在钢中具有
Y/V 0 中间强两侧弱的指向性，辐射声场的中心声束轴线
-0.02
和换能器轴线重合。此结果和文献 [7] 给出的结果
-0.04
-0.06 一致。
-0.08 在文献[8]中，电磁超声换能器采用螺旋线圈加
-0.10
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 单磁体外偏置磁场，产生出径向振动的表面力源，辐
X/ms
射横波声场为中空特性，声轴能量不集中。本论文
图 8 压电横波直探头在钢试块上 0 台阶面接收到
◦
中，换能器采用了铜箔部分屏蔽的特制跑道线圈，采
的电磁超声声波波列
用双磁体永磁铁作为外偏置磁场，产生出水平剪切
Fig. 8 The acoustic waveform of EMAT on steel
test block at 0° received by piezoelectric normal 力源，形成了水平偏振的横波声场。从实验结果和
shear wave transducer 数值模拟结果来看，此种跑道形电磁线圈换能器声